基于SPME-GC-MS对不同品种大米挥发性物质分析

刘敏，王健健，刘芳宏，王丹，谭书明，3*

（1.贵州大学酿酒与食品工程学院，贵州贵阳550025；2.贵州大学生命科学学院，贵州贵阳550025；3.贵州省农畜产品贮藏与加工重点实验室，贵州贵阳550025）

基于SPME-GC-MS对不同品种大米挥发性物质分析

刘敏1，3，王健健2，刘芳宏1，3，王丹1，3，谭书明2，3*

（1.贵州大学酿酒与食品工程学院，贵州贵阳550025；2.贵州大学生命科学学院，贵州贵阳550025；3.贵州省农畜产品贮藏与加工重点实验室，贵州贵阳550025）

以4种不同品种大米为研究对象，采用固相微萃取-气相色谱-质谱法（SPME-GC-MS）对不同品种大米挥发性成分进行分离鉴定，比较不同大米品种挥发性成分的差异性，并对香气物质进行主成分分析。结果表明：大粒溪香挥发性成分种类最多为52种，大粒香、帅优63和金麻粘分别为39种，37种和28种。4种大米主要挥发性成分基本相同，主要成分为烷烃、醛类、酯类，且相对含量均以烷烃类最高。大粒溪香、大粒香、金麻粘、帅优63烷烃类相对含量分别为58.56%、37.26%、47.27%、61.65%。根据4种大米发性物质相对含量和种类以及主成分分析，说明不同品种间大米风味物质对大米香气品质存在较大影响。

大米；挥发性成分；主成分分析

大米作为全球重要粮食作物之一，是世界上一半以上人口的主要食用谷物[1-3]。我国稻谷产量占全国粮食产量的35%左右，2014年我国稻谷年产量超过2亿t[4]，居世界首位。随着大众生活质量的不断提高，稻米香味品质愈来愈受到消费者的青睐和市场的欢迎，已成为目前的优质大米发展一大趋势。大米的香味表现大致有两种：一是表现为香味程度的层次性；二是表现为香味物质的多样性[5]。大米中的香气物质包括两种类型：一是大米本身所含有的，二是在加工蒸煮过程中产生的。

近年来，国内外对稻谷、糙米和米饭中挥发性成分的变化研究较多。对米饭风味物质研究，普遍认为2-乙酰-1-吡咯为大米香气的特征物质[6]。YAJIMA I等[7]采用气相色谱-质谱联用（gaschromatography-massspectrometer，GC-MS）法从日本香稻Oshihikari和Kaorimai中测定出的114种物质，吡咯烷酮、吲哚与普通稻米相比含量偏高。杨慧萍等[8]用GC-MS对同一储藏90d、不同储藏条件下的粳稻谷，其稻谷、糙米、大米3种不同形式样品中挥发性成分进行测定，用主成分分析法研究不同样品间挥发性成分的差异。研究表明稻谷、糙米、大挥发性物质种类大致相同，贡献率大小顺序依次为烷烃类＞酸酯类＞苯烯烃类＞酮类。宋伟等[9]应用研究GC-MS的储藏粳稻谷挥发物质变化，同时采用主成分分析法（principal components analysis，PCA）研究不同稻谷样品间挥发物质的差异，结果显示，苯类挥发物质随储藏时间的延长有上升趋势，温度越高上升的越明显，杂环类挥发物质受储藏时间以及温度的影响较小。郝俊光等[10]采用顶空衍生固相微萃取（solid phase microextraction，SPME）测定大米中醛类物质，所建立的方法可依次自动完成萃取头的衍生试剂吸附以及醛类物质萃取、进样、分离和测定，检测效率高，适用于大米醛类物质的日常大量检测。

本研究采用固相微萃取与气质联用法测定挥发性成分的方法，对不同品种的4种大米挥发性成分进行鉴别、分类，通过相关性和主成分分析法（PCA）对结果进行比较、分析，从而探讨优质大米种香气物质之间存在的差异性和相关性，旨在为优质大米挥发性物质研究变化规律提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

大粒溪香、大粒香、金麻粘大米：贵州湄潭龙脉皇田有限公司；帅优63大米：购于农户家。

1.2 仪器与设备

HP6890/5975C气相-质谱联用仪：美国安捷伦公司；手动固相微萃取装置（2 cm-50/30 μm DVB/CAR/PDMS纤维头）：美国Supelco公司；250型粉碎机：上海顶帅电器有限公司。

1.3 实验方法

1.3.1 样品的制备

取100 g加工精度符合国家一级标准的大米，将米样粉碎，每次粉碎后必须将前一次样清扫干净，然后过40目标准筛，制备成大米粉。

1.3.2 固相微萃取-气相色谱-质谱测定

取0.6 g大米粉，置于10 mL固相微萃取仪采样瓶中，插入装有50/30 μm DVB/CAR/PDMS纤维头的手动进样器，在120℃条件下顶空萃取40min后，移出萃取头并立即插入气相色谱仪进样口（温度250℃）中，热解析3 min进样。

气相色谱条件：ZB-5MSI色谱柱（30m×0.25mm×0.25μm）弹性石英毛细管柱，程序升温：柱温40℃，保留2 min，以5℃/min升温至270℃，运行时间48min；汽化室温度250℃；载气为高纯氦气（He）；载气流速1.0 mL/min；不分流进样；溶剂延迟时间1 min。

质谱条件：离子源为电子电离（electron ionization，EI）源；离子源温度230℃；四极杆温度150℃；电子能量70 eV；发射电流34.6μA；接口温度280℃；质量范围29～500amu。

挥发性物质的鉴定：对总离子流图中的各峰经质谱计算机数据系统检索及核对Nist2005和Wiley275标准质谱图，确定了X种挥发性化学成分，用峰面积归一化法计算了各化学成分的相对质量分数。

1.3.3 数据处理方法

运用Microsoft Excel2003、SPSS19.0及Origin2016软件进行数据整理、相关性、主成分分析和作图。

2 结果与分析

2.1 不同品种大米挥发性成分分析

大米挥发性成分主要有烷烃类、醛类、酮类、酯类、醇类、酸、酚及其他化合物等几大类物质。采用固相微萃取-气相色谱-质谱（solid phase microextraction-gas chromatography-mass spectrometer，SPME-GC-MS）技术，对不同品种大米挥发性物质进行分离鉴定，其挥发性物质含量结果见表1，不同品种大米挥发性物质种类及相对含量分别见图1和图2。

表1 不同品种大米挥发性物质相对含量Table 1 Relative contents of volatile compounds in different varieties of rice

续表

由表1可知，4种大米中挥发性物质共54种，烷烃类19种、烯烃类2种、醇类5种、醛类13种、酮类4种、酯类5种、酸酚及其他类4种。其中大粒溪香含挥发性物质种类和含量最多，为52种，其次分别为大粒香、帅优63、金麻粘，分别含39种、28种、37种。

图1 不同品种大米挥发性物质种类Fig.1 Types of volatile compounds in different varieties of rice

图2 不同品种大米挥发性物质种类相对含量Fig.2 Relative contents of volatile compounds in different varieties of rice

由图1、图2可知，大粒溪香各类挥发性物质相对含量和种类分别为：烷烃类58.56%、醛类8.81%、醇类2.26%、烯烃类0.17%、酮类0.69%、酯类5.19%、酸酚及其他类1.48%。大粒香为：烷烃类38.32%、醛类37.26%、醇类1.21%、烯烃类0.59%、酮类0、酯类1.63%、酸酚及其他类0.57%。金麻粘：烷烃类47.27%、醛类33.77%、醇类0.62%、烯烃类0.33%、酮类0、酯类2.51%、酸酚及其他类0.24%。帅优63为：烷烃类61.65%、醛类9.46%、醇类0.70%、烯烃类0.29%、酮类0.07%、酯类1.85%、酸酚及其他类0.20%。

不同品种大米挥发性物质及其相对含量有所不同，这也是影响大米食味品质因素之一。从而影响大米的经济效率。GRIGLIONE A等[11-12]认为影响大米经济效率的主要因素包括质地、风味和色泽，尤其是水稻品种不同的挥发性成分和特征气味。不同类型的挥发分性成呈现出不同味觉体验，如：烷烃和烯烃，通常具有清香和甜香的风味，特别是具有支链的烷烃[13]。其次是醛类化合物，主要包括壬醛、桂皮醛、癸醛、己醛[14]。适量醛类物质，通常赋予大米令人愉悦的清新青草味及淡水果香味，含量过高则会产生令人厌恶的腐败味[15]。醇类化合物通常赋予大米芳香、植物香、酸败和土气味[15]。酮类化合物为大米提供清香味、奶油味或果香味。

美国学者BUTTERY R G等[16]研究表明，具有爆米花香味2-乙酰-1-吡咯琳为大米香气特征物质，与此同时，大米风味中己醛、壬醛、2-戊基呋喃在的含量也较高[17-18]。4种不同品种大米主要挥发性物质有十六烷、十七烷、姥鲛烷、十八烷、植烷等烷烃类，正己醛、壬醛等醛类。酯类为邻苯二甲酸二丁酯、邻苯二甲酸二丁酯等酯类。这与赵阿丹等[19]研究的米茶挥发物质气体中大米挥发物质结果相一致。

2.2 不同品种大米挥发性物质主成分分析

主成分分析法对不同品种大米挥发性物质进行综合评价，利用降维的原理，把原来较多的评价指标用较少的几个综合指标来代替，综合指标保留了原有指标的绝大多数信息，且彼此之间不相关，能把复杂的问题简单化[20]。以不同品种大米的挥发性物质进行主成分分析，结果见表2。

表2 不同品种大米主成分的特征值、贡献率及累计贡献率Table 2 Eigenvalues,contribution rates and cumulative contribution rates of principal components of different varieties of rice

由表2可知，经主成分分析，提取了前2个主成分。大粒溪香第1主成分贡献率82.22%，第2主成分贡献率17.78%；大粒香第1主成分贡献率61.90%，第2主成分贡献率38.10%；金麻粘第1主成分贡献率80.84%，第2主成分贡献率19.16%；帅优63第1主成分贡献率82.14%，第2主成分贡献率17.86%；各品种大米累计贡献率均为100%，说明前2个主成分能较客观的反应样品挥发性物质绝大部分信息，可用主成份F1，主成份F22个新综合指标代替原来的7个指标进行分析。

2.2.1 不同品种大米主成分特征向量分析

不同品种大米的特征向量矩阵见表3。由表3可知，大粒溪香第1主成分F1=0.349X1-0.400X2+0.417X3-0.417X4+ 0.322X5+0.321X6+0.405X7，F2=0.490X1+0.251X2+0.019X3-0.019X4+0.570X5-0.573X6-0.213X7。大粒溪香第1主成分与烷烃、醇类及其他呈高度正相关；与烯烃和醇类呈高度负相关关系；烷烃和酮类是第2主成分特征贡献因子，综合分析综合分析各成分作用大小，烷烃、烯烃、醇类、酮类及其他是影响大粒溪香原料香气品质的主要成分。

大粒香第1主成分F1=-0.327X1+0.178X2-0.327X3+0.324X4+ 0.459X5+0.468X6+0.405X7，第2主成分F2=0.448X1+0.568X2+ 0.448X3+0.452X4-0.180X5+0.136X6-0.136X7。大粒香的第1主成分与酮类、酯类及醛类呈高度正相关关系，与醇类及其他呈高度负相关关系；烷烃类、烯烃类及醇类是第2主成分特征贡献因子，呈正相关关系。综合分析各成分作用大小，酮类、酯类、醇类、醛类、烷烃、烯烃及其他是影响大粒香原料香气品质的主要成分。

金麻粘第1主成分F1=0.312X1-0.400X2+0.266X3+0.417X4-0.411X5+0.400X6+0.344X7，第2主成分F2=0.578X1+X2+0.484X3-0.106X4-0.181X5-0.266X6+0.497X7。金麻粘第1主成分与醛类、酯类呈高度正相关关系；烯烃类、酮类及醇类呈高度负相关关系；烷烃、醇类及其他类是第2主成分特征贡献因子，呈正相关关系。综合分析各成分作用大小，醛类、酯类、烷烃、烯烃、酮类及醇类式影响金麻粘原料香气品质的主要成分。

帅优63第1主成分F1=0.416X1-0.411X2-0.373X3+0.414X4+ 0.348X5+0.416X6-0.230X7，第2主成分F2=0.053X1-0.155X2+ 0.401X3+0.100X4+0.493X5+0.053X6+0.747X7。帅优63第1主成分与烷烃、醛类及酯类呈高度负相关关系；与烯烃及醇类呈高度负相关关系；醇类、酮类及其他是第2主成分特征贡献因子，呈正相关关系。说明烷烃、烯烃、醛类、酯类是影响帅优63原料香气品质的主要成分。

表3 不同品种大米的特征向量矩阵Table 3 Eigenvectors matrixes of different varieties of rice

2.2.2 4种大米标准化后主成分得分

以第一、二主成分贡献率大小为分配系数，计算大粒溪香综合得分F=0.822 2×F1+0.177 8×F2，大粒香综合得分F=0.619×F1+0.381×F2，金麻粘综合得分F=0.8084×F1+0.1916× F2帅优63综合得分F=8214×F1+0.1786×F2。标准化后主成分得分及排名结果见表4。

由表4可知，4种大米综合得分依次为为大粒溪香＞大粒香＞帅优63＞金麻粘。从不同品种大米风味物质主成分综合得分排名上看，大粒溪香综合评分最高，金麻粘最低，说明不同品种间大米风味物质存在差异性，大粒溪香香气品质最佳，大粒香次之，再者为帅优63，金麻粘香气品质较前三种最差。

表4 不同品种大米标准化后主成分得分及排名Table 4 Principal component scores and ranking of different varieties of rice after standardization

3 结论

采用SPME-GC-MS对不同品种大米进行挥发性物质分析，大粒溪香、大粒香、帅优63、金麻粘4种不同品种大米挥发性物质分别有检测出52、39、37、29种，挥发性物质种类基本相同，分别是烷烃类、烯烃类、醇类、醛类、酮类、酯类、酸酚及其他类。相对含量及种类最多的为烷烃类物质，其次是醛类物质。

不同品种大米风味物质主成分综合得分排名上看，大粒溪香综合评分最高，金麻粘最低，说明不同品种间大米风味物质存在差异性，大粒溪香香气品质最佳，大粒香次之，再者为帅优63，金麻粘香气品质较前三种最差。

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Analysis of volatile compounds in different varieties of rice based on SPME-GC-MS

LIU Min1,3,WANG Jianjian2,LIU Fanghong1,3,WANG Dan1,3,TAN Shuming2,3*
(1.School of Liquor and Food Engineering,Guizhou University,Guiyang 550025,China; 2.College of Life Science,Guizhou University,Guiyang 550025,China; 3.Key Laboratory of Agricultural and Animal Products Store&Processing of Guizhou Province,Guiyang 550025,China)

Using 4 different varieties of rice as research objects,the volatile components of the rice were isolated and identified using solid-phase microextraction and gas chromatography/mass spectrometry(SPME-GC-MS).The difference of volatile components of the rice was compared and flavor substances were analyzed by principal component analysis.The results showed that 52,39,37 and 28 kinds of volatile components were detected in Dalixixiang,Dalixiang,Shuaiyou 63,and Jinmazhan,respectively.The main volatile components of the 4 kinds of rice were basically same,and the main components were alkanes,aldehydes and esters.The relative contents of alkanes were the highest in different varieties of rice,and the contents in Dalixixiang,Dalixiang,Jinmazhan and Shuaiyou 63 were 58.56%,37.26%,47.27%and 61.65%,respectively.According to the changes in the relative contents and types of volatile components in different rice,as well as the principal component scores,these results indicated that flavor compounds of different varieties of rice had great influence on aroma quality.

rice;volatile substance;principal component analysis

TS207.3

0254-5071（2017）06-0170-05

10.11882/j.issn.0254-5071.2017.06.035

2016-12-22

贵州省科技厅重大成果转化项目（黔科技合成转字[2015]5021-6号）

刘敏（1993-），女，硕士研究生，研究方向为粮食、油脂及植物蛋白工程。

*通讯作者：谭书明（1964-），男，教授，本科，研究方向为食品加工。